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鋰離子電池(LIBs)得益于能量密度高、低維護(hù)成本、低自放電、快速充電和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展迅速，其被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備，并在電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域作為替代傳統(tǒng)能源動(dòng)力的首選方案[1]。鋰電池在生活中的廣泛應(yīng)用使得其運(yùn)輸量極大，盡管航空運(yùn)輸?shù)南拗埔呀?jīng)開(kāi)始實(shí)施，如禁止在客機(jī)上運(yùn)輸散裝電池，但龐大的供應(yīng)鏈依然使得每年飛機(jī)上運(yùn)輸?shù)碾姵爻^(guò)10億枚[2]。從2006年1月23日起 ，截至2021年3月31日，美國(guó)民用航空管理局危險(xiǎn)材料事故數(shù)據(jù)庫(kù)共記錄了310 起涉及鋰離子電池的熱失控事件。

飛行過(guò)程中飛機(jī)的壓力環(huán)境變化，使得學(xué)者們也將目光放在了變壓環(huán)境下的鋰離子電池?zé)崾Э靥匦匝芯可?。賀元驊等[3]對(duì)不同電荷量的18650型鋰離子電池?zé)崾Э靥匦蚤_(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)隨SOC的增加，熱失控過(guò)程中的最高溫度、最高熱釋放速率、質(zhì)量總損失和可燃?xì)怏w釋放總量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。陳明毅等[4-5]對(duì)不同海拔環(huán)境下18650型鋰離子電池和鋰原電池的熱失控進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失隨海拔的降低而增加，HRR和燃燒熱量隨充電狀態(tài)增加而上升。研究還表明，隨著海拔的升高，熱釋放速率、燃燒有效熱量和熱流密度均呈下降趨勢(shì)。

Xie 等[6]研究了循環(huán)老化和壓力環(huán)境下18650型鋰離子電池的熱安全性能變化，結(jié)果表明，循環(huán)次數(shù)的增加和壓力的減小均會(huì)導(dǎo)致熱失控起始時(shí)間、溫度及熱釋放速率的降低，氣體釋放與點(diǎn)火間隔時(shí)間隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小，燃燒時(shí)間隨壓力的降低而降低。目前對(duì)于低壓環(huán)境下的軟包裝鋰離子電池?zé)崾Э匮芯糠矫孢€需加強(qiáng)補(bǔ)充。

筆者通過(guò)動(dòng)壓艙開(kāi)展了不同壓力環(huán)境下的鋰離子電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)，選取3種壓力（50,70,90kPa），搭建3種傳熱平臺(tái)，通過(guò)分析3種不同外部熱源引發(fā)軟包裝鋰離子電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程，研究低氣壓環(huán)境下和不同熱源條件下熱失控災(zāi)害特性問(wèn)題。測(cè)量和分析了測(cè)試過(guò)程中的鋰離子電池溫度和熱失控?zé)嵝詤?shù)等。

1 實(shí)驗(yàn)方案 ·

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為軟包裝鋰離子電池，尺寸為100.0mm×65.0mm ×12.0mm，正極材料為L(zhǎng)iNi0.5Mn0.3Co0.2O2，負(fù)極材料為石墨，電池標(biāo)稱(chēng)容量為10000mAh，標(biāo)稱(chēng)電壓3.7V，截止電壓4.2V。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電池充放電儀器BT-2016C 對(duì)電池進(jìn)行充電，控制荷電狀態(tài)為100%SOC。

實(shí)驗(yàn)選擇在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行，動(dòng)壓艙內(nèi)放置攝像機(jī)記錄反應(yīng)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)影像，反應(yīng)室內(nèi)的煙氣通過(guò)管道流入熱量?jī)x，隨后進(jìn)入HRR 測(cè)量模塊（AO2020）進(jìn)行CO2、O2、熱釋放速率等參數(shù)錄入；采用直徑 1 mm 的 K 型熱電偶布置在電池表面的幾何中心并用無(wú)紙記錄儀記錄實(shí)驗(yàn)中的電池溫度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)選擇50,70,90kPa三個(gè)壓力，實(shí)驗(yàn)選擇在動(dòng)壓試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建如圖2所示。圖2（a）中加熱板（下文統(tǒng)稱(chēng)“加熱板組”）為309mm×200mm×20mm 的鑄鋁加熱平板（功率1200W），圖2（b）中加熱環(huán)（下文統(tǒng)稱(chēng)“輻射環(huán)組”）直徑為94mm（功率1200W），電池由支架支撐在加熱環(huán)中心位置，圖 2（c）為石英砂制遠(yuǎn)紅外高溫輻射板（下文統(tǒng)稱(chēng)“輻射板組”），尺寸為200mm×300 mm×25mm功率為1200W），為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3 次。

1.支架；2.鋰電池；3.加熱平板；4.熱電偶

（a）加熱板組

1.鋰電池；2.加熱環(huán)；3.熱電偶

（b）輻射環(huán)組

1.支架；2.遠(yuǎn)紅外高溫輻射板；3.鋰離子電池；4.熱電偶

（c）輻射板組

圖 2 熱失控實(shí)驗(yàn)布置示意圖

2 結(jié)果與討論 ·

2.1熱失控行為

鋰離子電池典型的熱失控過(guò)程包括氣體釋放、產(chǎn)生煙霧、引燃、燃爆和熄滅。通過(guò)觀(guān)察兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)不同的加熱方式下鋰離子電池的熱失控行為是相似的，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電池內(nèi)部發(fā)生的副反應(yīng)可以將鋰離子電池?zé)崾Э匦袨榉譃橐韵聨讉€(gè)階段。

階段1：電池表面受熱，內(nèi)部發(fā)生SEI膜、隔膜分解和電解液熱解等副反應(yīng)產(chǎn)生氣體，電池體積逐漸膨脹；

階段 2：隨著電池內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的增強(qiáng)，電池極耳側(cè)發(fā)生破裂，空氣進(jìn)入電池內(nèi)部，加速電解液的分解，產(chǎn)生煙霧；極耳一側(cè)發(fā)生火星火噴射行為并伴隨大量煙霧，電池發(fā)生初爆；

階段3：電池池體溫度逐漸升高，電池發(fā)生點(diǎn)火，伴隨劇烈燃燒，燃燒開(kāi)始階段火焰從極耳一側(cè)噴出，電池發(fā)生二次燃爆；

階段4：燃燒行為加劇，火焰從極耳側(cè)和電池后部相繼噴出，同時(shí)噴射燃燒物顆粒；

階段5：燃燒結(jié)束，溫度下降，卷層狀燃燒殘燼上附著熔融后的銀白色鋁箔顆粒。不同壓力下鋰離子電池?zé)崾Э匦袨槿鐖D 3 所示。

圖 3 不同壓力下鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程

由圖3觀(guān)察，低壓低氧環(huán)境下沒(méi)有充足的氧氣供給鋰電池快速燃燒,電池燃燒效率低。隨外部熱源的升溫，鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生SEI膜、隔膜分解和電解液熱解等副反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體；這些氣體使得電池極耳側(cè)破裂，大量空氣進(jìn)入電池內(nèi)部加速電解液的分解，因此在初爆階段能看到大量藍(lán)色煙霧。

分析實(shí)驗(yàn)中的熱失控現(xiàn)象，火焰的噴射均從電極極耳一端開(kāi)始，這與劉奕[7]的研究結(jié)果是一致的；熱失控過(guò)程中的火焰行為可分為初爆階段以火星形式噴射的火星火、二次燃爆階段向單一方向噴射的射流火、劇烈燃燒階段向多方向噴射的脈動(dòng)火[8]，不同外熱方式下的火行為在初爆階段有差異。90kPa壓力下，加熱板組在657s發(fā)生火焰一閃即滅的閃燃現(xiàn)象，660s 出現(xiàn)射流火行為；輻射環(huán)組在279s發(fā)生閃燃，3s后出現(xiàn)射流火；輻射板組在879s時(shí)發(fā)生2s的火星火行為，881s發(fā)生二次燃爆，射流火較前兩者火焰更長(zhǎng)。且隨壓力的降低，初爆階段的火星火行為加劇，并伴隨大量煙霧。當(dāng)壓強(qiáng)降低至50kPa，3組實(shí)驗(yàn)的火星噴射時(shí)間分別為3,5,3s，表明隨壓力的降低，初爆階段的火星噴射行為加劇。

2.2電池表面溫度分析

選擇布置在鋰離子電池上表面幾何中心的熱電偶采集溫度表征實(shí)驗(yàn)中的電池池體溫度，觀(guān)察鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的溫度變化。圖4～圖6為電池表面溫度曲線(xiàn)。

圖 4 加熱板組電池表面溫度曲線(xiàn)

劇升高，最后逐漸降低，熱傳導(dǎo)組壓強(qiáng)從90kPa降低至50kPa，熱失控過(guò)程中的峰值溫度分別為658.1,604.3605.5℃；但初爆溫度和熱失控時(shí)間點(diǎn)隨壓力降低而增加，分別從109.2℃、689s升高至142.3℃、939s，隨壓強(qiáng)的降低熱失控時(shí)長(zhǎng)明顯縮短，從14s降低至 10 s。

圖 5 輻射環(huán)組電池表面溫度曲線(xiàn)

由圖5可知，電池?zé)崾Э氐姆逯禍囟确謩e為 676.5,656.5℃和639.2℃，熱輻射組的初爆溫度隨壓強(qiáng)減小有明顯的升高趨勢(shì)。采集溫度數(shù)據(jù)的熱電偶放置在電池上表面，由于環(huán)狀輻射組上表面接受熱源輻射，其溫度表征在電池發(fā)生初爆前主要受加熱環(huán)影響；當(dāng)電池溫度達(dá)到加熱環(huán)加熱最大值，在初爆前的階段溫度曲線(xiàn)平緩，隨后發(fā)生熱失控，溫度急劇上升。當(dāng)壓強(qiáng)從90kPa 降低至50kPa時(shí)，初爆溫度從 350.5℃升高至394.1℃，熱失控時(shí)間點(diǎn)從288s升高至 355 s，熱失控時(shí)長(zhǎng)從20s降低至16s。

圖6中在壓力為90,70,50kPa時(shí)，電池?zé)崾Э胤逯禍囟确謩e為696.8,736.4,734.8℃；熱失控初爆溫度明顯升高，分別為114.1,117.8,129.7℃，明顯上升；隨壓力降低至50kPa，熱失控時(shí)長(zhǎng)也從16s減少至 14s。

圖 6 輻射板組電池表面溫度曲線(xiàn)

不同外部熱源作用下，電池的溫升速率如圖7所示，圖8為不同外部熱源作用下，由各個(gè)壓力工況熱釋放速率峰值繪制誤差棒圖。

圖7 不同外部熱源作用下的電池溫升速率

圖 8 不同外部熱源及氣壓下熱釋放速率峰值誤差棒

MAQJ等[9]中通過(guò)結(jié)合前人研究和數(shù)據(jù)擬合得出了質(zhì)量燃燒和環(huán)境壓力的關(guān)系，見(jiàn)式（1）。

因此，隨壓力的降低，燃燒速率也會(huì)降低，導(dǎo)致低壓下的燃燒時(shí)間更長(zhǎng)。上述數(shù)據(jù)中，在發(fā)生初爆前，電池的溫升斜率會(huì)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，隨著壓強(qiáng)的降低，這一趨勢(shì)更加明顯；輻射環(huán)組的環(huán)狀加熱方式下相比其他兩組的單邊加熱方式整體溫度升高更快，溫升斜率更大，危險(xiǎn)性更大；可能是由于熱輻射組環(huán)狀加熱作用使得電池整體溫度較高，內(nèi)部副反應(yīng)更快；不同加熱方式下的熱失控有所差異，3組實(shí)驗(yàn)中的峰值溫度變化不同，但峰值溫度保持在600~740℃；隨壓力降低初爆溫度呈現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)，同時(shí)熱失控時(shí)長(zhǎng)也隨之減少，壓力從90kPa降至50kPa，3組實(shí)驗(yàn)中熱失控時(shí)長(zhǎng)分別從14，20，16s降低至10，16，14s。

3 結(jié)論 ·

筆者通過(guò)搭建3種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了低壓環(huán)境下的軟包鋰離子電池?zé)崾Э靥匦?。發(fā)現(xiàn)不同壓力和外熱方式下，鋰離子電池的熱失控行為是相似的，可分為受熱膨脹、極耳側(cè)破裂，隨后火星噴射并伴隨冒煙釋放煙氣、點(diǎn)火燃燒、燃燒加劇、火焰熄滅；壓力的降低會(huì)使得鋰離子電池在燃燒階段氧氣不充足，電池內(nèi)部可燃物質(zhì)與氧氣的燃燒反應(yīng)不充分，導(dǎo)致電池表面峰值溫度、熱釋放速率、總釋熱量和耗氧量均降低，熱失控時(shí)間點(diǎn)向后延遲。不同外部熱源作用下電池?zé)崾Э匦袨橛胁町?；以輻射環(huán)作為外部熱源時(shí)，電池整體受熱，內(nèi)部副反應(yīng)速率更快，相比于加熱板組和輻射板組會(huì)更早發(fā)生熱失控。90kPa壓力下，輻射板組的 CO2體積分?jǐn)?shù)最大，為2.7437%，表明其燃燒反應(yīng)更徹底，熱危害性更強(qiáng)。

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來(lái)源：陳現(xiàn)濤，趙一帆，張 旭，孫 強(qiáng)（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 民航安全工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

作者簡(jiǎn)介:陳現(xiàn)濤（1982-），男，四川廣漢人，中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院副教授，碩士，主要從事航空安全與消防方面的研究，四川省德陽(yáng)市廣漢市南昌路四段 46 號(hào)，618307。通信作者:趙一帆（1998-），男，中國(guó)民用航空飛行學(xué)院碩士研究生。

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